由于陶瓷膜層中離子鍵的高強度，陶瓷材料具有高硬度的同時也通常缺乏耐用性和彈性,。通過借鑒層片狀和“磚-砂”軟硬相仿生結構能夠有效緩解強度與韌性倒置的困境,。然而，這些仿生結構通常是在微米級制備的,。相比之下,，具有納米級微結構的天然珍珠層通常表現出更好的韌性增強作用。此外,，增強相（磚）和塑性相（砂）的元素組成和化學鍵通常顯著不同,，導致界面潤濕性較差,，促進了裂紋的沿相界形核和傳播,，降低了復合結構的強化效果。因此,，開發(fā)一種能夠實現宏觀分層和微觀“磚-砂”結構的膜層制造方法,，確保增強相和塑性相具有高度潤濕的同質界面，對于提升陶瓷膜層的綜合力學性能是至關重要的,。

為了解決這一問題,，長安大學輕合金表面強化研究所陳永楠教授團隊聯合浙江大學占海飛教授團隊和西北有色金屬研究院通過分段調整微弧氧化（PEO）過程的電參數制備了具有多尺度異構的陶瓷膜層(HSCCs)。HSCCs具有增強相（MgO,，c-ZrO₂晶體）含量更多的硬質上層,，和塑性相（非晶氧化物）含量更多的韌性下層，并表現出了優(yōu)秀的結構熱穩(wěn)定性和抗剪切能力,。相關研究成果以“Hierarchically Structured Ceramic Coatings Based on Zirconia and Magnesium Oxide with High Toughness”為題發(fā)表在材料科學領域國際期刊《Advanced Functional Materials》上,。論文第一作者為長安大學博士生錢偉峰,，通訊作者為長安大學陳永楠教授，王楠講師和浙江大學占海飛教授,，合作者還包括長安大學趙秦陽副教授,、西北有色金屬研究院王少鵬等。

論文鏈接：

https:///10.1002/adfm.202418312

研究在先前大量電參數組合探索的基礎上,，依照天然貝殼結構通過分段PEO成功制備了基于強化相和韌性相差異實現宏觀分層結構的膜層,，該膜層的上層具有大量的c-ZrO₂強化晶粒，下層具有大量的非晶氧化物（圖1）,。通過對相界面進行深入的分析,，發(fā)現在c-ZrO₂晶粒與非晶相的界面上形成了2-3 nm的過渡層（圖2），Mg原子大量滲入晶格,，置換了部分Zr原子從而穩(wěn)定了O原子柱,，實現了對c-ZrO₂的穩(wěn)定（圖3）。

圖1. HSCCs的設計及分層結構表征,。

圖2. HSCCs 不同區(qū)域的微觀結構和元素分布,。

圖3. HSCCs中不同區(qū)域的晶體結構和界面原子柱排列。

在過渡界面的穩(wěn)定下,，HSCCs表現出了700 ℃以上的結構熱穩(wěn)定性（圖4）,，以及相對于傳統(tǒng)晶體膜層65%以上的抗剪切力提升（圖5）。劃痕測試結果表明更硬的上層和更韌的下層分別承擔了大部分應力和應變,，使得膜層整體的臨界脫落應力值大幅提高,。

在此基礎上，通過晶體/非晶氧化物同質過渡邊界剪切變形過程的模擬,，明確了納米級“磚-砂”同質界面結構強韌化機理（圖6）,。在過渡邊界上，靠近c-ZrO₂晶體內部的Mg滲入較少,，起到穩(wěn)定c-ZrO₂作用,，靠近非晶部分的Mg滲入較多，c-ZrO₂晶格逐漸被破壞,，此時Zr-O-Mg三元非晶氧化物則會在變形過程中產生大量的自由體積,，從而為相界面提供持續(xù)的塑性變形能力而不發(fā)生斷裂。此外,，還討論了裂紋擴展對非晶態(tài)塑性變形的影響以及 PEO 過程中多級異構形成的過程,。綜上所述，此研究通過 PEO 原位制備的強韌一體化HSCCs為改進陶瓷功能復合材料應用，克服陶瓷材料強塑性倒置的挑戰(zhàn)提供了一種新途徑,。